蘇孟白,王克勤,宋婭麗,張雨鑒
(西南林業(yè)大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院,昆明 650224)
地表徑流造成的土壤養(yǎng)分流失在水力侵蝕區(qū)是土地生產(chǎn)力衰退的主要原因,同時(shí)也是農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的重要發(fā)生形式[1]。降雨造成的水土流失致使富集的氮、磷等養(yǎng)分匯入水體,直接導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化和水質(zhì)退化,同時(shí)增加了水體的環(huán)境負(fù)荷和風(fēng)險(xiǎn)[2]。徑流攜帶的泥沙使部分營(yíng)養(yǎng)元素發(fā)生遷移,淤積河道,堵塞匯流口造成更多損失。地表徑流的產(chǎn)生特征與土地利用類型密切相關(guān)[3],土地利用類型對(duì)流域土壤和植被氮磷固定、徑流氮磷輸出等均有重要影響[4],從而使不同土地利用類型條件下產(chǎn)流量、氮磷含量及氮磷流失量均有一定的差異,深入研究其作用機(jī)制能更好地分析不同土地利用類型養(yǎng)分流失過(guò)程。
目前對(duì)小流域不同土地利用類型下氮磷流失的研究主要集中于降雨特征[5-6]、土壤理化性質(zhì)[7]、地形地貌[8]、植被覆蓋變化[9]以及人為管理措施[10]對(duì)氮磷輸出空間分布特征、徑流污染物效應(yīng)等方面的影響[3]。沈奕彤等[11]在降雨歷時(shí)對(duì)黑土坡面養(yǎng)分流失的影響中得出,降雨歷時(shí)是影響黑土坡面溶質(zhì)遷移以及產(chǎn)流產(chǎn)沙的重要因素,降雨歷時(shí)越長(zhǎng),表土氮磷流失越嚴(yán)重;李曉娜等[12]在植被過(guò)濾帶對(duì)徑流的有效攔截試驗(yàn)中顯示了植物過(guò)濾帶對(duì)徑流平均攔截率達(dá)53%;馬星等[13]對(duì)四川省遂寧水土保持試驗(yàn)站紫色土的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)中認(rèn)為,不同雨型下坡度導(dǎo)致的植被和土壤物理性質(zhì)的差異也是坡地土壤侵蝕不同的主要原因;向速林等[14]的研究表明,贛江下游不同土地利用類型(水田、旱地、林地和其他地)降雨徑流氮磷污染負(fù)荷中,水田最高(分別為10 732.91,1 071.65 t/a),林地最低。
上述研究偏向于分析影響因素對(duì)徑流及養(yǎng)分流失、氮磷輸出后的空間運(yùn)移、污染負(fù)荷及小尺度的措施影響,但在滇中尖山河流域選擇具有代表性的土地利用類型研究不同產(chǎn)流及氮磷輸出遷移特征的相關(guān)研究較少。尖山河流域作為撫仙湖的一級(jí)支流和重要匯流流域之一,其流域內(nèi)不同土地利用類型產(chǎn)流所攜帶的氮、磷等元素將直接影響湖內(nèi)水體狀況,農(nóng)業(yè)面源污染的治理是小流域生態(tài)環(huán)境建設(shè)亟待解決的問(wèn)題[4]。因此,本研究在滇中尖山河流域設(shè)置了不同土地利用類型(人工林、灌木林、次生林、坡耕地)的徑流小區(qū),對(duì)自然降雨條件下徑流小區(qū)的土壤理化性質(zhì)、基本概況進(jìn)行調(diào)查,定量監(jiān)測(cè)2017年雨季(5—10月)降雨過(guò)程中產(chǎn)流量、氮磷流失的形態(tài)、濃度,單位面積地表徑流氮磷流失量及動(dòng)態(tài)變化特征,旨在為水土保持措施的效益評(píng)價(jià)、水土流失治理、流域內(nèi)水體保護(hù)及流域內(nèi)大尺度的氮磷元素產(chǎn)出、遷移規(guī)律提供合理的科學(xué)依據(jù)。
研究區(qū)位于珠江南北盤(pán)江上游巖溶區(qū)域的云南省中部玉溪市澄江縣尖山河流域,為撫仙湖的一級(jí)支流。地處北緯24°32′00″—24°37′38″,東經(jīng)102°47′21″—102°52′02″,流域總面積35.42 km2,海拔1 722.0~2 347.4 m,相對(duì)高差625.4 m,立體氣候明顯。尖山河流域多年平均降雨量1 050 mm。干濕季分明,雨季為5月下旬至10月下旬,降雨量占全年總降雨量的75%,旱季為11月上旬至次年5月中旬,降雨量占全年降雨量的25%。暴雨多出現(xiàn)在雨季,多年平均洪峰流量為36 m3/s。年均蒸發(fā)量為900 mm。流域內(nèi)的土壤主要是紅紫泥土和紅壤。研究區(qū)內(nèi)耕地面積1 174.6 hm2,占總面積的33.2%;坡耕地347.1 hm2,坡耕地占總耕地面積的29.6%;林地面積1 697.5 hm2,占總面積的47.9%,其中人工林941 hm2,灌木林339.8 hm2,次生林413.4 hm2。
1.2.1 徑流小區(qū)的布設(shè) 根據(jù)滇中尖山河流域特點(diǎn),選取具有代表性的4種土地利用類型人工林、灌木林、次生林及坡耕地分別布設(shè)水平投影面積為5 m×20 m的徑流小區(qū)。于2017年4月對(duì)所有徑流小區(qū)的地理位置、坡度、坡向、植被覆蓋度進(jìn)行調(diào)查,并采集所有徑流小區(qū)表層土壤,用于測(cè)定土壤背景值。2017年生長(zhǎng)季,人工林、灌木林和次生林為自然生長(zhǎng);坡耕地中種植作物為烤煙,品種為K326,由玉溪市煙草公司統(tǒng)一調(diào)入,根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民農(nóng)事習(xí)慣施基肥、提苗肥和追肥,基肥與提苗肥氮磷鉀比例為12∶6∶24,提苗肥氮磷鉀比例為28∶0∶5,施肥量折合純氮為202.5 kg/hm2,折合純磷為91.8 kg/hm2。各徑流小區(qū)的基本情況見(jiàn)表1。
表1 不同土地利用類型徑流小區(qū)基本概況
1.2.3 數(shù)據(jù)處理與分析 本文采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表繪制,并采用SPSS 25.0軟件對(duì)研究區(qū)降雨量、降雨特征和不同土地利用類型滇中紅壤產(chǎn)流產(chǎn)沙、氮磷流失量進(jìn)行差異性分析,相關(guān)性分析采用皮爾遜雙尾相關(guān)性分析法,方差分析采用最小顯著性差異(LSD)法。
2017年5月至10月共觀測(cè)記錄產(chǎn)流的降雨事件共20場(chǎng),期間降雨量為826.2 mm,占全年降雨量的85.87%,從中選取了6場(chǎng)具有明顯產(chǎn)流的降雨,不同土地利用類型下各徑流小區(qū)產(chǎn)流量如圖1。根據(jù)我國(guó)氣象部門(mén)規(guī)定的降雨強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn),小雨、中雨、大雨和暴雨分別為12 h雨量≥5,5~14.9,15~29.9,30 mm,或24 h雨量≥10,10~24.9,25~49.9,50 mm的降雨。選取的6場(chǎng)降雨中,6月14日、8月7日和10月22日均屬于中雨(降雨量分別為16.4,8.7,10.2 mm),7月16日和9月9日屬于大雨(降雨量分別為24.2,21.6 mm),7月23日屬于暴雨(降雨量為50.8 mm)。總體來(lái)看,隨著降雨量的增大,不同土地利用類型下徑流小區(qū)的徑流量呈增大的趨勢(shì)。對(duì)次降雨降雨量與徑流量進(jìn)行相關(guān)分析后,得到相關(guān)系數(shù)依次為人工林(0.538)、灌木林(0.985)、次生林(0.994)、坡耕地(0.158),即表明降雨量與徑流量相關(guān)性高于最大30 min雨強(qiáng)(I30)與徑流量相關(guān)性。不同土地利用類型下徑流量平均值在7月23日達(dá)到峰值(0.39 L/m2),為6月14日的27.4倍,而此時(shí)降雨量達(dá)50.8 mm。各徑流小區(qū)總徑流量表現(xiàn)為:灌木林(0.29 L/m2)<次生林(0.44 L/m2)<人工林(0.91 L/m2)<坡耕地(3.06 L/m2),坡耕地最高,分別為灌草叢、次生林、人工林的10.58,6.90,3.37倍;各土地利用類型的變異系數(shù)范圍在0.57~1.43,差異較大。
注:圖中不同小寫(xiě)字母表示同一時(shí)間不同土地利用類型下徑流量差異顯著(p<0.05)。
注:圖中和分別表示徑流中總氮濃度、硝態(tài)氮濃度和銨態(tài)氮濃度;圖中不同小寫(xiě)字母表示同一時(shí)間不同土地利用類型下差異顯著(p<0.05),下同。
注:圖中和PN/TN分別表示徑流中硝態(tài)氮與總氮比值、銨態(tài)氮與總氮比值以及顆粒態(tài)氮與總氮比值。
注:圖中和分別表示徑流中總磷濃度、磷酸根濃度及磷酸根與總磷濃度比值。
圖5 不同土地利用類型對(duì)不同形態(tài)氮素流失量的影響
圖6 不同土地利用類型對(duì)不同形態(tài)磷素流失量的影響
降雨量、土地利用類型是影響降雨徑流的關(guān)鍵因素[16]。隨著降雨量的增大,滇中尖山河流域不同土地利用類型下的徑流量呈增大的趨勢(shì),降雨量與不同土地利用類型下徑流量呈顯著性相關(guān)。這是由于隨著降雨量的增大,降雨量超過(guò)土壤的實(shí)際入滲能力,導(dǎo)致土壤透水能力下降,土壤含水率飽和,導(dǎo)致更多的降雨形成地表徑流[17-18]。人工林、灌木林、次生林下降雨量與徑流量相關(guān)系數(shù)較高,而坡耕地下相關(guān)系數(shù)較低。這是由于除降雨量外,徑流量還與地表植被覆蓋、土壤前期含水量等因素有關(guān),人工林、灌木林、次生林在生長(zhǎng)期間,植被覆蓋度差異較小,徑流量主要受到降雨量的影響,兩者相關(guān)系數(shù)較高;而研究期間坡耕地下不同降雨場(chǎng)次農(nóng)作物(烤煙)的生長(zhǎng)期和地表覆蓋度差異較大,土壤前期含水量也不同,導(dǎo)致相關(guān)系數(shù)較低。
本研究中,不同土地利用類型下徑流量的大小排序?yàn)楣嗄玖?0.29 L/m2)<次生林(0.44 L/m2)<人工林(0.91 L/m2)<坡耕地(3.06 L/m2)。坡耕地徑流量最高的原因是坡耕地的耕作較為頻繁,土壤經(jīng)常受到擾動(dòng),其降雨產(chǎn)流量相對(duì)較大;人工林(約15 a生)地表植被結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,覆蓋度較高(65%),入滲與滯留效應(yīng)較高,且地表土壤疏松,其產(chǎn)流量較坡耕地低;次生林(約20 a生)較人工林植被覆蓋度高(90%),結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜,主要通過(guò)凋落物阻礙徑流,降低流速,從而環(huán)流和分流,并能通過(guò)植物根系作用維持土壤良好的滲透性,增加入滲率,從而減少地表徑流量;灌木林中植物生長(zhǎng)迅速、秸稈密集、可有效覆蓋地表,植被蓋度達(dá)95%,通過(guò)改變坡面的微地形減緩坡度,從而改變徑流的產(chǎn)生過(guò)程,降低徑流量,并顯著攔截地表徑流,因此其產(chǎn)流量較小。
徑流是氮磷流失的主要源動(dòng)力[19],不同土地利用類型地表覆蓋影響著降雨徑流的產(chǎn)流過(guò)程及特征[20],導(dǎo)致徑流中的氮磷濃度差異較大。本研究中,徑流TN濃度表現(xiàn)為人工林(2.39 mg/L)<次生林(2.63 mg/L)<灌木林(2.64 mg/L)<坡耕地(4.00 mg/L),TP濃度表現(xiàn)為灌木林(2.53 mg/L)<次生林(4.07 mg/L)<人工林(5.72 mg/L)<坡耕地(6.47 mg/L)。坡耕地由于常年施用大量的氮磷肥,耕作、施肥頻次均較高,導(dǎo)致氮磷流失濃度較高,TN和TP流失濃度達(dá)到4.00,6.47 mg/L,對(duì)周邊水體造成富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)也較高。這也可能是滇中尖山河流域水質(zhì)總氮總磷含量偏高的重要原因之一,今后應(yīng)加強(qiáng)這方面的防治工作和研究。灌木林、次生林和人工林由于受到人工干擾較小,外部養(yǎng)分輸入較低,能顯著降低徑流量及氮磷流失濃度,其徑流氮磷流失濃度顯著低于坡耕地。同樣李曉娜等[12]研究中黑麥草、偃麥草和無(wú)芒雀麥對(duì)徑流及氮磷的攔截效果中也表明植被過(guò)濾帶使氮磷入滲量大于植物秸稈直接攔截量。
地表徑流中養(yǎng)分流失量受兩方面的影響,一是徑流量,二是徑流中的養(yǎng)分濃度[23]。本研究中,不同土地利用類型徑流量和氮磷流失濃度均為人工林、次生林和灌木林<坡耕地,徑流氮、磷流失量表現(xiàn)為灌木林(0.76,0.61 mg/m2)<次生林(1.04,1.65 mg/m2)<人工林(1.36,3.60 mg/m2)<坡耕地(7.91,15.12 mg/m2),這表明灌木林、次生林、人工林具有控制氮磷流失作用,水土保持功能較好,特別是灌木林由于植被覆蓋度較高(95%),其徑流氮磷流失量最低。同樣,李曉娜等[12]研究表明,灌木林減少氮磷流失的驅(qū)動(dòng)力來(lái)源于植被覆蓋度較高的直接效應(yīng),植被覆蓋度高可促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成[24],改善土壤入滲,減小水流流速,增強(qiáng)土壤抗侵蝕和保水能力,從而降低土壤氮素淋溶和地表徑流遷移氮素可能性。Pansak等[25]認(rèn)為植被(香根草、新銀葉合歡)的種植改變了氮磷的遷移途徑,氮磷由地表徑流損失轉(zhuǎn)變?yōu)闈B漏,從而降低地表徑流氮磷流失量。
本研究中不同土地利用類型磷素流失量總體上高于氮素流失量,說(shuō)明磷素主要通過(guò)徑流沖刷淋洗的方式進(jìn)入地表徑流中,總磷中占比較高的磷酸根極易隨徑流流失,而顆粒態(tài)氮可通過(guò)植物莖稈攔截,滲透到土壤中,并被土壤固定吸附在土壤中。不同土地利用類型徑流磷素流失量中水溶性磷為總磷的52.02%~78.69%。常松果等[10]在不同土壤管理措施下坡耕地磷素流失特征中的結(jié)果也表明,全磷流失量為77.9 mg,水溶性磷流失量為64.4 mg,水溶性磷流失量占比為85.24%;曾立雄等[3]對(duì)三峽庫(kù)區(qū)不同土地利用類型氮磷流失特征的研究結(jié)果中,茶園、柑橘園和竹林正磷酸鹽流失量占全磷的90%。不同土地利用類型下氮磷流失量并未隨時(shí)間的推移而逐漸降低,如9月9日和10月22日坡耕地氮磷流失量仍較大,原因?yàn)?月底坡耕地中烤煙已收獲,植被覆蓋度較低,產(chǎn)流量較大,導(dǎo)致氮磷流失量較高;而此時(shí)人工林、灌木林和次生林中植物莖葉可有效削弱雨滴動(dòng)力,改變降雨再分配,減少地表徑流,降低表層土壤氮磷向徑流遷移,而表層以下的土壤養(yǎng)分很難向表層徑流遷移,從而減小氮磷流失量。
滇中尖山河流域徑流量受土地利用類型影響較大,4種不同土地利用類型中,坡耕地氮磷流失規(guī)律較為復(fù)雜,應(yīng)是該流域不同土地利用類型中氮磷流失的重點(diǎn)控制對(duì)象;而灌木林、次生林和人工林均能有效減少?gòu)搅鞯琢魇?,其中灌木林的氮磷流失量最低,水土保持效果最好。因此,為了減緩尖山河流域水體污染問(wèn)題,減小發(fā)生水體富營(yíng)養(yǎng)化的概率:一方面在實(shí)際耕作中,可通過(guò)調(diào)整尖山河流域沿線土地利用類型,氮、磷肥施用量,施用頻次及耕作方式等措施來(lái)減少?gòu)搅髁俊⒔档偷琢魇舛?;其次,降雨徑流是徑流氮磷流失的重要原因,在降雨前?yīng)特別注意減少和避免那些會(huì)加劇徑流氮磷流失的農(nóng)事活動(dòng);第三,可以通過(guò)在流域內(nèi)增加灌木林地面積,在流域出口處布設(shè)灌木林等措施來(lái)減少流域氮磷的流失。同時(shí),今后需要更加系統(tǒng)地開(kāi)展野外坡耕地徑流小區(qū)不同種植模式對(duì)比試驗(yàn)研究,以防止土壤質(zhì)量退化,尋求減少水土流失及減少氮磷輸出的科學(xué)途徑,以期為滇中尖山河流域多尺度水土養(yǎng)分流失模擬與控制提供參考。
(1) 滇中尖山河流域4種不同土地利用類型TN,TP總流失量差異性顯著,均表現(xiàn)為坡耕地最高:灌木林(0.76,0.61 mg/m2)<次生林(1.04,1.65 mg/m2)<人工林(1.36,3.60 mg/m2)<坡耕地(7.91,15.12 mg/m2)。坡耕地應(yīng)為該流域氮磷流失的重點(diǎn)控制對(duì)象,而灌木林的氮磷流失量最低,水土保持效果最好。
(2) 各降雨條件下TN和TP濃度分別表現(xiàn)為:人工林(2.39 mg/L)<次生林(2.63 mg/L)<灌木林(2.64 mg/L)<坡耕地(4.00 mg/L),灌木林(2.53 mg/L)<次生林(4.07 mg/L)<人工林(5.72 mg/L)<坡耕地(6.47 mg/L)坡耕地顯著增加了徑流中不同形態(tài)氮磷的濃度。
(4) 為減緩滇中尖山河流域水體污染問(wèn)題,可通過(guò)調(diào)整尖山河流域沿線土地利用類型,氮、磷肥施用量,施用頻次及耕作方式,在降雨前注意減少和避免農(nóng)事活動(dòng),和在流域出口處布設(shè)灌木林等措施來(lái)減少流域氮磷的流失。今后應(yīng)對(duì)不同種植模式下坡耕地徑流及氮磷流失開(kāi)展相關(guān)研究,將是防治坡耕地土壤質(zhì)量退化及減少水土流失的主要方向。